从“一网”（OneWeb）卫星探究卫星互联网面临的风险与挑战

崔潇潇 王 琦 范青松/文

近几年，以美国“一网”（OneWeb）为代表的新型企业计划打造低轨卫星星座，引发卫星互联网的发展热潮。本文梳理了“一网”（OneWeb）公司基本情况，研究了“一网”（OneWeb）星座布局、工作方式及其特点和优势，最后，对以“一网”星座为代表的卫星互联网面临的风险和挑战进行了探究。

“一网”星座计划概况

“一网”（OneWeb）公司基本情况

2017年，美国联邦通信委员会（FCC）投票批准“一网”（OneWeb）星座进入美国市场。“一网”公司建立旨在为偏远地区或互联网基础设施建设落后地区提供价格适宜的网络连接。由于受疫情影响，“一网”公司于2020年3 月提出了破产保护申请。随后，英国政府和印度巴帝全球公司(Bharti Global)最终与英国“一网”公司达成收购协议。外加其他投资者的注资，“一网”星座得到了强大的资金支持。

“一网”星座系统建设

“一网”星座采用开放式架构，可在原有系统基础上通过增加新卫星提升星座整体容量。“一网”星座建设分3 个阶段实施：

▶第一阶段发射648 颗Ku/Ka 频段卫星，分布在高度1200km、倾角87.9°的18 个轨道面，每个轨道面部署约40 颗卫星，相邻轨道面间隔9°,星座容量达7 Tbit/s,可为用户提供峰值速率为500 Mbit/s 的宽带服务，地-星地延迟约为50ms;

▶第二阶段增加720 颗V 频段卫星，组成的与初期星座的轨道高度相同的“亚星座”，星座容量达到120 Tbit/s;

▶第三阶段增加1280 颗V 频段卫星，运行在更高的中地球轨道，星座容量达到1000 Tbit/s。整个星座可根据覆盖区域内的服务需求和数据流量情况，在低地轨道和中地球轨道星座之间进行“动态地分配流量”。

“一网”星座未来建设规划重要节点如下：

▶到2022年底前，部署648颗卫星，完成初期星座部署工作；

▶2026年8 月之前至少需要部署一半数量的卫星；

▶在2029年之前完成整个“一网”星座部署。

工作方式及卫星特点

“一网”卫星星座在全球布设共44 个关口站使卫星联网，星座采用Ku 波段进行用户通信，Ka波段进行关口站通信。

“一网”星座建设规划

“一网”卫星在非赤道上空运行时，单颗卫星可产生16 个Ku频段波束，实现多重覆盖，保证每个用户至少能在一个卫星的视线(Line of Sight)内。每个LEO 卫星覆盖范围1080km×1080km，交换带宽为7.5Gbps，建成后的卫星星座能够覆盖全球，甚至包括高纬度的北冰洋地区。

“一网”卫星由空中客车防务及航天公司负责设计，由一网卫星公司负责生产。单个卫星重约147.5kg，星上载荷包括两个TT&C(遥测)天线、两个Ku 波段天线和两个Ka 波段天线，采用“太阳能板+锂离子电池”供储能系统，推进系统为氙气电推进，在轨工作寿命约为5年。

星座优势及与“星链”异同

星座优势

“一网”卫星星座星座完全部署后，将是覆盖范围最广，卫星覆盖密度最高的低轨商业通信卫星系统。

为保证经济性，“一网”卫星公司实现了一体化的设计、生产、总装与测试流程，生产中大量采用协作机器人、自导引运输车等自动化措施，实现整星批产。

为有效降低开发成本，提高卫星效能及卫星入轨成功率，“一网”公司还与美国高通公司、美国休斯网络系统公司、欧洲空中客车防务及航天公司等合作。

与“星链”异同

除“一网”星座外，美国“星链”星座也提出较早、发展较快，两者具备以下异同：

▶均已经进入星座初步建设阶段

截至2022年5 月18 日，“星链”发射总数达到了2653 颗，其网络目前已覆盖25个国家和地区，为全球14.5 万用户提供服务。“一网”星座于2019年2 月发射首批6 颗试验卫星，目前在轨卫星数量已达428 颗。

▶采用不同的系统架构

“星链”星座采用“天星天网”架构，将卫星作为网络传输节点，通过星间链路建立高速宽带通信网络，用户可直接接入卫星互联网络，不需经过地面系统。“一网”星座采用“天星地网”架构，将卫星作为连通用户终端和网关站的通道，卫星间没有星间链路，从网关站接入地面通信网络，通过全球分布的地面站实现整个系统的全球服务能力。

▶星座建设与运营模式不同

“星链”星座的卫星研制与生产、卫星发射、星座运营等均由SpaceX 公司一力承当。由于SpaceX 公司拥有自己的火箭及可重复使用发射技术，因此将降低“星链”星座的发射成本。

“一网”星座却实现了全产业链条要素的垂直整合，在卫星制造、发射、运行和营销等各个环节强力联合了一网公司、软银集团、空客防务与航天公司、休斯网络系统公司等龙头企业，形成利益集团。

卫星互联其面临的风险和挑战

“一网”卫星为代表的地轨卫星星座，具有传输时延小、链路损耗低、发射灵活、应用场景丰富、整体制造成本低等优势，非常适合卫星互联网的发展。卫星互联网至少具有三方面的优势，即场景应用优势、经济性优势和稳定性优势。但其未来发展也面临着一定程度的风险和挑战：一方面卫星互联网传输速率和时延难以满足多场景需求；另一方面卫星寿命较短，需要对卫星发射和后续运维工作做好长期规划和准备。

带宽较高，实用性有待验证

地面通信基站可以根据人口密集程度进行有针对性的配置和布局，灵活性较高。而卫星互联网无法解决在人口稀少地区资源被浪费的问题：主要是因为卫星的飞行轨道基本固定，对人口稠密和稀少地区提供的服务资源和能力相当，如何既能保证人口密集区域的通信覆盖，又能降低偏远地区或海洋等区域通信资源可能出现的浪费现象，需要进一步论证分析。同时，卫星互联网服务难以直接面向终端用户，需要通过碟形天线进行中转，用户体验仍需提升。

太空碎片与化学物质影响地球生态体系

太空垃圾若与运作中的人造卫星、载人飞船或国际空间站相撞，会危及到设备甚至宇航员的生命。据计算，一块直径为10 厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁，数毫米大小的太空垃圾就有可能使它们无法继续工作。目前的卫星互联网，卫星体积小寿命短且数量庞大，对光学、射电天文台会造成潜在观测干扰。同时大量卫星部署在近地轨道会产生太空碎片带来安全风险。虽然卫星在大气层中会烧毁绝大部分部件，但所产生的化学物质可能会破坏地球臭氧层。例如卫星的主要成分是铝，在燃烧后会产生氧化铝，如果大气中含有大量氧化铝将会造成散射，最终改变地球的反照率。

结束语

低轨小卫星技术的不断成熟，大大降低了利用卫星提供商业服务的门槛，也将有助于商业航天的发展。以“一网”星座为代表的低轨卫星互联网星座将促使全球卫星通信产业进入一个新的黄金发展时期，为全球用户提供更廉价、优质的卫星通信服务。“一网”星座将带来卫星技术、卫星生产、卫星应用和商业模式的全面创新，其运行模式能否最终取得成功，还有待时间的检验。